Silica-Partikel können in der Biotechnologie und Biomedizin beispielsweise für die Immobilisierung von Enzymen, bildgebende Verfahren, als Biosensoren oder als Drug-Delivery-Systeme mit kontrollierter Freisetzung von Arzneistoffen Anwendung finden. Die biomimetische Synthese solcher Partikel hat in den letzten Jahren eine erhöhte Beliebtheit erfahren, da sie eine Reihe von Vorteilen gegenüber der traditionellen Synthese von Silica-Partikeln, wie der Sol-Gel-Synthese oder Mikroemulsions-Methode, aufweist. Zu diesen Vorteilen zählen milde Synthesebedingungen wie ein neutraler pH-Wert und Synthese bei Raumtemperatur in wässrigen Lösungen sowie die Möglichkeit Biomoleküle wie Proteine oder Peptide in Silica-Material zu inkorporieren. Im vorliegenden Projekt wurden Silica-Präzipitationen basierend auf einer bereits etablierten biomimetischen Synthesemethode unter Verwendung einer Variante des synthetischen Silaffin-Peptids R5, die ein N-terminales Cystein trug, durchgeführt. Über die Silica-Präzipitations-Fähigkeit dieser R5-Variante in Phosphat-gepufferten Lösungen mit Orthokieselsäure bei neutralem pH-Wert und Raumtemperatur ist bereits berichtet worden. Es wurde versucht, die Zugänglichkeit des N- und C-Terminus des R5-Peptids in Silica-Partikeln, die mithilfe dieses Peptids synthetisiert wurden, zu untersuchen. Der hierfür verwendete strategische Ansatz basierte auf der (Strept)avidin-Biotin Interaktion zwischen N- und C-terminal biotinylierten Varianten des R5-Peptids mit Streptavidin-Goldnanopartikel- oder Avidin-Sulforhodamin 101-Konjugaten. Außerdem wurde der Einfluss des pH-Werts und der Konzentrationen des R5 Peptids und des Silica-Precursors auf die Morphologien der resultierenden Präzipitate untersucht, um die optimalen Synthesebedingungen für sphärische Silica-Partikel mit glatten Oberflächen zu finden. In weiterer Folge wurden Bedingungen für die Synthese von sphärischen Silica-Partikeln, die mit zwei Modifikationen (Cyanin-5 und Fluoreszein) versehen waren, basierend auf dem gleichen biomimetischen Synthesekonzept entwickelt. Für die Produktion der dual modifizierten Silica-Partikel wurde die Cyanin-5-Funktionalität über die kovalente Bindung an den N-Terminus der R5-Peptid-Variante, die mit dem Siliziumdioxid co-präzipitiert, eingeführt. Im Gegensatz dazu wurde die Fluoreszein-Modifikation über die Verwendung von Triethoxysilyl-Fluoreszein als-Silica-Precursor direkt in das Silica-Material integriert. Die Anteile der Cyanin-5-modifizierten R5-Variante und des Triethoxysilyl-Fluoreszeins, die in die Partikel inkorporiert worden waren, wurden bestimmt. Zusätzlich wurden Zellstudien in THP-1-Zellen durchgeführt, um die Aufnahme der doppelt modifizierten Silica-Partikel in diese Zellen innerhalb von 24 Stunden zu untersuchen

Silica particles can be used in biotechnology and biomedicine for applications including immobilization of enzymes, imaging, biosensing, drug delivery and controlled drug-release. The biomimetic synthesis of such particles has become increasingly popular in recent years as it provides a variety of advantages compared to the traditional synthesis of silica particles including the sol-gel process and micro-emulsion synthesis. These advantages comprise mild synthesis conditions such as neutral pH, ambient temperature and synthesis in aqueous solutions as well as the possibility of producing hybrid materials of silica with biomolecules such as proteins and peptides. In this project, silica precipitations were carried out based on a previously established biomimetic synthesis approach involving a variant of the synthetic silaffin R5 peptide with an N-terminal cysteine residue. This R5 variant has been shown to exhibit silica precipitating activity in phosphate-buffered solutions containing silicic acid at neutral pH and ambient temperature. The investigation of the display and accessibility of the N- and C-terminus of the R5 peptide in silica particles derived from biomimetic silica precipitations using this peptide was attempted. The strategy employed for this investigation utilized the (strept)avidin-biotin interaction between N- or C-terminally biotinylated R5 variants with streptavidin-gold nanoparticle and avidin-sulforhodamine 101 conjugates. In addition, the effect of pH as well as R5 peptide and silica precursor concentrations on the morphology of the resultant precipitates was investigated in order to find optimal synthesis conditions for smooth spherical silica particles. Conditions for the synthesis of spherical silica particles modified with two different functionalities (cyanine-5 and fluorescein) based on the same biomimetic approach were then developed. For the generation of the doubly modified silica particles, a cyanine-5 functionality was introduced via covalent attachment to the N-terminus of the R5 peptide variant, which co-precipitates with the silica. In contrast, the fluorescein modification was incorporated directly into the silica material via the use of triethoxysilyl fluorescein as a silica precursor. The percentages of the cyanine-5 modified R5 variant and triethoxysilyl fluorescein incorporated into the particles were determined and cell studies were carried out in THP-1 cells to investigate the uptake of the doubly modified silica particles by these cells within 24 hours.